Χημεία Επιφανειών

Η Χημεία Επιφανειών είναι ένας κλάδος της Χημείας που μας λέει τα χαρακτηριστικά των επιφανειών ή των ορίων φάσης και τις χημικές αλλαγές που συμβαίνουν σε μια επιφάνεια ή μια διεπαφή.

Η επιφανειακή χημεία λέει για τα φαινόμενα που συμβαίνουν στις επιφάνειες ή τις διεπαφές. Η επιφάνεια χαρακτηρίζεται από το διαχωρισμό των ογκωδών φάσεων με μια κάθετη. Για παράδειγμα, η επιφάνεια μεταξύ ενός στερεού και ενός αερίου αντιπροσωπεύεται από στερεό-αέριο ή στερεό/αέριο.

προσρόφηση

• Η προσρόφηση είναι το φαινόμενο της υψηλότερης συγκέντρωσης στην επιφάνεια που προκαλείται από τη δράση επιφανειακών δυνάμεων Ή μπορούμε να πούμε ότι είναι αλλαγή της συγκέντρωσης στα διεπιφανειακά στρώματα μεταξύ δύο όψεων του συστήματος
• Η προσρόφηση εισήχθη από τον Scheele κατά την ανακάλυψη της πρόσληψης αερίων από τον άνθρακα και η προσρόφηση αναπτύχθηκε από τους Kayser και Raymonds.

Παραδείγματα προσρόφησης

1. Εάν ένα αέριο όπως H2, O2, Cl2 κ.λπ. ληφθεί σε ένα δοχείο που περιέχει άνθρακα σε σκόνη, η πίεση του αερίου μειώνεται αργά καθώς το αέριο προσροφάται στην επιφάνεια του άνθρακα.
2. Παρουσία διοξειδίου του πυριτίου, ο αέρας ξηραίνεται λόγω της προσρόφησης νερού στην επιφάνεια της γέλης.
3. Όταν ένα διάλυμα λακκούβας ή ένα διάλυμα βαφής όπως το μπλε του μεθυλενίου ανακινείται με ζωικό κάρβουνο, το χρωστικό υλικό απορροφάται και το διάλυμα γίνεται άχρωμο.

• Απορρόφηση:Η κατανομή των μορίων ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο του προσροφητικού. Παράδειγμα, το άνυδρο χλωριούχο ασβέστιο απορροφά το νερό. Εμφανίζεται στο εσωτερικό της επιφάνειας και μια πιο αργή διαδικασία. Είναι ενδόθερμο (το δέλταΗ είναι θετικό) από τη φύση του.
• Η προσρόφηση ονομάζεται φυσιορόφηση όταν τα μόρια αερίου συσσωματώνονται στην επιφάνεια των υλικών λόγω των ασθενών δυνάμεων έλξης του van der Waals.
• Η χημική απορρόφηση συμβαίνει όταν μόρια αερίων συγκρατούνται στην επιφάνεια ενός υλικού με χημικούς δεσμούς.

Θετική και αρνητική προσρόφηση

• Στη θετική προσρόφηση, η συγκέντρωση του προσροφητικού υλικού είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια του προσροφητικού παρά στο χύμα ενώ στην αρνητική προσρόφηση η συγκέντρωση του προσροφητικού είναι μικρότερη σε σχέση με τη συγκέντρωσή του στον όγκο.

Τύποι προσρόφησης

• Χημική προσρόφηση

• Τα μόρια συγκρατούνται στην επιφάνεια από ισχυρούς χημικούς δεσμούς που μπορεί να είναι γρήγοροι ή αργοί ανάλογα με τη φύση του δεσμού.
• Είναι πολύ συγκεκριμένο στη φύση.
• Είναι μη αναστρέψιμο στη φύση.
• Οι ενώσεις που σχηματίζουν αέρια με προσροφητικό παρουσιάζουν χημική προσρόφηση.
• Η ενέργεια προσρόφησης είναι μεγάλη εδώ και κυμαίνεται από 40 έως 400 kJ/mole.
• Είναι ενδόθερμο
• Πρώτα αυξάνεται με τη θερμοκρασία και στη συνέχεια μειώνεται.

• Φυσική προσρόφηση

• Η ενέργεια προσρόφησης είναι χαμηλή και η τιμή είναι 20-40 kJ/mol
• Σχηματίζονται πολλά στρώματα.
• Δεν υπάρχει ανάγκη για ενέργεια ενεργοποίησης.
• Παράδειγμα:Προσρόφηση αζώτου στη μαρμαρυγία και αερίων στον άνθρακα.

Χαρακτηριστικά Φυσιπροσρόφησης

1. Μη ειδική φύση:Επειδή οι δυνάμεις van der Waals είναι καθολικές, ένα προσροφητικό δεν προτιμά ένα αέριο.
2. Το CO2, το SO2 και άλλα εύκολα υγροποιήσιμα αέρια απορροφώνται γρήγορα.
3. Αναστρέψιμη φύση:Η φυσική απορρόφηση ενός αερίου από ένα στερεό μπορεί να αντιστραφεί.
4. Αυξάνει ως απόκριση στην αυξημένη πίεση
5. Εμβαδόν επιφάνειας προσροφητικού:Καθώς αυξάνεται η επιφάνεια του προσροφητικού, προσροφάται περισσότερο αέριο, δηλαδή αυξάνεται η ποσότητα της προσρόφησης.
6. Ενθαλπία προσρόφησης:Η ενθαλπία της προσρόφησης φυσικορρόφησης είναι αρκετά χαμηλή (20-40 KJ mol-1). Λόγω της εξώθερμης φύσης της προσρόφησης, η φυσική απορρόφηση γίνεται εύκολα σε χαμηλές θερμοκρασίες και η εκρόφηση σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Χαρακτηριστικά Χημειρρόφησης

1. Υψηλή εξειδίκευση:Είναι εξαιρετικά ειδική και εμφανίζεται μόνο εάν πραγματοποιείται χημικός δεσμός μεταξύ προσροφητικού και προσροφητικού.
2. Μη αναστρεψιμότητα:Η χημική απορρόφηση είναι μη αναστρέψιμη καθώς ο χημικός δεσμός που σχηματίζεται είναι δύσκολο να σπάσει.
3. Η χημική απορρόφηση αυξάνεται με τη θερμοκρασία.
4. Αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης.
5. Εμβαδόν επιφάνειας προσροφητικού:Καθώς αυξάνεται η επιφάνεια του προσροφητικού, απορροφάται περισσότερο αέριο, λόγω του οποίου αυξάνεται η προσρόφηση.
6. Ενθαλπία προσρόφησης:Η ενθαλπία της προσρόφησης της χημειορόφησης είναι υψηλή (80-240 KJ mol-1)

Παράγοντες που επηρεάζουν την προσρόφηση

1. Επιφάνεια του προσροφητικού

Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι το ίδιο αέριο προσροφάται σε διαφορετικές περιοχές από διαφορετικά στερεά στις ίδιες συνθήκες. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του προσροφητικού, τόσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αερίου που προσροφάται.

2. Θερμοκρασία

Η προσρόφηση ενός αερίου γενικά μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό συμβαίνει επειδή η προσρόφηση είναι εξώθερμη και οι αυξήσεις της θερμοκρασίας ευνοούν την οπισθοδρομική εκρόφηση.

3. Πίεση

Η προσρόφηση ενός αερίου από ένα προσροφητικό σε σταθερή θερμοκρασία αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης.

Ισοθερμοί προσρόφησης επιφανειακής χημείας

Ισόθερμη προσρόφησης Freundlich

x/m =K [P^(1/n)]

Το "x" υποδηλώνει  μάζα προσροφητικού στη μάζα του προσροφητικού

⇒ log K/m =1/n (log P + log K)

Δεν ισχύει για την προσρόφηση αερίων σε στερεά σε υψηλότερη πίεση

Ισόθερμη προσρόφησης Langmuir

• Η ποσότητα του αερίου που προσροφάται στο στερεό προσροφητικό είναι πιο παχύρρευστη.

• Το προσροφημένο στρώμα είναι συμμετρικό  σε όλο το προσροφητικό.

• Τα γειτονικά προσροφημένα μόρια δεν αλληλεπιδρούν.

ΚΟΛΛΟΕΙΔΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

• Ο Thomas Graham (1862) μελέτησε τη διαδικασία διάχυσης διαλυμένων ουσιών μέσω ενός χαρτιού περγαμηνής ή μιας ζωικής μεμβράνης και χώρισε τις ουσίες σε δύο κατηγορίες. Ουσίες όπως η ζάχαρη, η ουρία, το κοινό αλάτι κ.λπ., που περνούσαν εύκολα από τη μεμβράνη όταν ήταν σε διαλυμένη κατάσταση ονομάζονταν κρυσταλλοειδή. Ουσίες όπως το άμυλο, η κόλλα, η ζελατίνη κ.λπ., οι οποίες σε διαλυμένη κατάσταση είτε δεν περνούσαν καθόλου είτε περνούσαν πολύ αργά μέσα από τη μεμβράνη ονομάζονταν κολλοειδή.

• Σύμφωνα με τη σύγχρονη άποψη, η κολλοειδής κατάσταση είναι μια ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ λύσης και αναστολής.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ

1. Παρασκευή και λειτουργία ροφητών

2. Στερεά αντιδρώντα

3. Καταλύτες για καθαρά καύσιμα και παραγωγή χημικών

4. Εκκαθάριση ρύπανσης

5. Φωτοκαταλύτες

6. Κυψέλες καυσίμου

7. Σε μπαταρίες

8. Παραγωγή Υψηλού Κενού

9. Αποσκλήρυνση σκληρού νερού

10. Διύλιση Πετρελαίου

11. Χρωματογραφικός διαχωρισμός

Συμπέρασμα

Γνωρίζουμε ότι η επιφάνεια ενός υγρού βρίσκεται σε κατάσταση ακόρεστου λόγω των μη ισορροπημένων ή μπορούμε να πούμε υπολειμματικών δυνάμεων που δρουν κατά μήκος της επιφάνειας ενός υγρού. Ομοίως, η επιφάνεια ενός στερεού μπορεί επίσης να έχει υπολειπόμενες δυνάμεις λόγω των οποίων  η επιφάνεια ενός στερεού έχει την τάση να έλκει και να συγκρατεί μόρια αερίου ή υγρών με τις επιφάνειες με τις οποίες έρχονται σε επαφή. Αυτό το φαινόμενο των επιφανειών ονομάζεται προσρόφηση. Η προσρόφηση είναι ένα επιφανειακό φαινόμενο και η απορρόφηση είναι ένα μαζικό φαινόμενο στο οποίο η ουσία κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το σώμα ενός στερεού ή υγρού για να σχηματίσει ένα διάλυμα ή μια ένωση.